Lensler neden hep yuvarlaktır?

Görüntü sensörü olmasa da neden mercekler yuvarlak şeklinde? Neden kare veya görüntü sensörünün şekline uyan bir şey olamaz?

Sensörler, tarihsel olarak geleneksel imaj ortamının şekline dayanan gelenek tarafından dikdörtgendir.

Ancak onları dikdörtgen olmaya iten bir teknoloji / iş kararı var. Sensörler dikdörtgendir çünkü yarı iletken üretim teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Bu teknikler, bir silikon gofret üzerine çoklu sensör devreleri "baskı" gerektirir. Bugün bu gofretler 300 mm çapında olabilir ve üreticiler 450 mm çapa doğru hareket ediyorlar ( buraya bakın ). Bu büyüklükteki gofretlere birçok sensör basılabilir.

Sensörler, mevcut alanı verimli bir şekilde kullanmak ve onları “kalıplara” (veya bu durumda bireysel sensörlere) ayırmayı kolaylaştıracak şekilde kullanmak üzere gofretin üzerine döşenir. Süreci dicing olarak adlandırılır. Kalıplar için en uygun maliyetli şekil dikdörtgendir. Genellikle, gofretleri düz çizgiler halinde kesmek için bir testere veya kazıma kullanılır. Kalıpların (bu durumda sensörler) yuvarlak mı (malzemenin israfı ve pahalı kullanımı)) veya altıgen (malzemenin verimli kullanımı ancak kesikler tüm gofret boyunca değil) olup olmadığını düşünün. ( Daha fazla bilgi için buraya bakınız. )

B) Yüksek kaliteli camdan yapılmış lensler genellikle torna kullanarak taşlanır. (Bu videoda görülebilir . Özellikle 7:00 dakikalık işareti izleyin. Üzgünüm, Japonca, ancak video çok etkileyici ve açık.) Yuvarlak bir merceği döndürmek, öğütmek ve cilalamak daha kolay bu makinalar, mercek etrafında döndüğü için alet üzerinde yakalanacak kenar bulunmadığından. Aynı zamanda bitmiş objektifte ulaşmaya çalıştıkları optik simetri ile de tutarlıdır.

Yuvarlak olmayan lensler genellikle mercek düzeneğinin üretimine maliyet getiren bir adım olan yuvarlak merceklerden kesilir. Lenslerin yuvarlak olması gerekmez. Cennetin uğruna, çoğu gözlük yuvarlak değildir! Gözlükleriniz yapıldığında, lens üreticisinin her gözlük çerçevesi için mercek stoklamadığını unutmayın. Çerçeveye uyması için yuvarlak lensleri kesiyor veya taşlıyor.

Lens üreticisi yuvarlak lenslerine sahip olduğunda, onu farklı bir şekle sokması için onu ne motive eder? Pek çok kişinin çeşitli forumlarda işaret ettiği gibi, lens şekli görüntü şeklini veya kalitesini belirlemez (hafifletilebilir kenarların neden olduğu kırılmanın yanı sıra, belki de bazı ikinci dereceden sapmaları etkiler) ve objektifteki her nokta nesnenin her noktasından ışık toplayabilir ve her noktaya görüntü düzleminde odaklanabilir. Objektifin şeklini değiştirmenin maliyet kattığını çoktan belirttim. Şekli değiştirmek için (genellikle) herhangi bir pratik sebep yoktur.

Bir lensin yuvarlak üretilmesinin birçok nedeni vardır:

1. Üreticinin yanında, küresel mercek üretmek daha kolay ve ucuzdur, farklı mercekleri birleştirdiğinizde, örneğin makro, telefoto vb.

2. Genel kullanıcılar için, çoğumuz kesinlikle dairesel lensi döndürmenin dikdörtgenden daha uygun olduğunu söyleyeceğiz. Kamera merceklerinin içinde, özellikle yakınlaştırma mercekleri, bazı öğelerin odaklandıkça veya yakınlaştırdıkça çoğunlukla (daha ucuz mercekler) döndürülerek ayarlanması gerekir. Aynı zamanda sapmaları ve kırınım saplamalarının yönünü de kontrol etmeye çalışıyorsanız dairesel olmayan bir lensi döndürmek zorlaşacaktır.

3. Düz bir şey eğri yapmaya çalışmak yuvarlak bir şey eğri yapmaktan daha zordur.

4. Geniş açılı lensler için daha iyi ve daha geniş bir perspektif sağlamak için küresel bir şekle sahiptir.

5. Değişken mesafeli ışığa odaklanmak için, ışığın tüm noktalarının aynı genel alana odaklanması gerektiğinden dairesel bir mercek gerektirir.

6. Maksimum çözünürlük (netlik) elde eden görüntüler üretmek için lens yüzeyinin, lensin tam çözünürlük elde etmesi için çok yüksek hassasiyete kadar hassas olması gerekir - dalga boyunda ışığın küçük fraksiyonları. Öğütme ve parlatma işlemlerinde yalnızca dairesel mercekler için istenen hassasiyette mercekler üretilir; Diğer şekiller için bu kesinliği sağlamak imkansız olmasa da oldukça zordur.

7. Bir merceğin en çok arzu edilen özellikleri, eserler olmadan keskin görüntüler oluşturma kabiliyeti ve özellikle loş ışıkta ışık toplama gücüdür. Bu özelliklerin her ikisi de dairesel merceklerle büyütülür; sadece optik teorisinden kesinlikle habersiz biri başka bir şekil tasarlamaya çalışırdı.

Bir neden daha: Işık toplama kabiliyeti, alan tarafından büyük ölçüde yönetilirken, optik kalitenin bir kısmı azami boyutla azalır (veya aynı seviyeye düzeltmek daha pahalıdır). Bir daire, belirli bir alan için maksimum boyutu en aza indirir.

Buna rağmen, üretim kaygıları en önemli nedendir. Neyse ki, dairesel bir mercek zaten başka nedenlerden istediğinizi.

Komik olan nokta, açıklığın (yani lensin) şeklinin, odak dışı bir ışık kaynağının (genellikle "bokeh" olarak adlandırılan) görünür şeklini etkilemesidir. Özel bokeh resimlere bakarken bunu görebilirsiniz ( http://www.wikihow.com/Make-a-Custom-Bokeh ).

Şey, lensler her zaman "yuvarlak" değildir . Ancak bunun fotoğrafçılıkla ilgisi yok. İşte bazı örnekler:

1. Silindirik lensler , 1-D kameraların bazı uygulamaları ve ışın astigmat düzeltmelerinin yanı sıra ışın şekillendirme için çok kullanışlıdır.

2. Fresnel lensler , birçok şekilde olabilir ve ışığı büküm ile odaklamak için kullanılır. örneğin bakınız: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnifying-fresnel-lens.jpg

birkaç ezoterik mercek türü vardır (mercek dizileri , kinoform mercekleri , vb.) tranditional cam benzeri malzeme. Tasarımın nedeni genellikle işlevsellik ve üretim maliyetidir.

Diyelim ki silindirik yerine dikdörtgen bir mercek kullanıyorsunuz. Öncelikle, lensin şekli önemli değildir olacak hiçdiyafram tamamen açık değilse; Daha yavaş olan herhangi bir ayarda, diyaframın yaklaşık dairesel şekli belirleyici faktör olacaktır. Açıklık tamamen açık olduğunu varsayarsak, ana etki şu şekilde olacaktır. Belli bir alan derinliğine sahip olacaksın. Nesne noktası A, nokta gibi bir görüntü üretmek için doğru mesafede ise, o zaman bu nokta merceğin dikdörtgen şeklinden bağımsız olarak yine bir noktadır. Bununla birlikte, eğer B nesne noktası başka bir mesafede ise, o noktanın görüntüsü olarak bulanıklaşırız. Bulanıklık, bir demet ışık ışını olması nedeniyle oluşur ve demet, filmi veya çipi kesiştiği bazı sonlu boyutlara sahiptir. Objektif dikdörtgen olduğundan, bu demet piramidaldır ve bulanıklık her zamanki daireselden ziyade dikdörtgen bir bulanıklık olacaktır. Örneğin, birinin fotoğrafını çektiğini söyleyin arka planda yıldızlı bir gökyüzü ile s yüzü. Sen yüze odaklan. Yıldızlar küçük bulanık dikdörtgenler gibi görünecek.

Çok yüksek büyütmelerde (belki de etkili bir şekilde küçük teleskop olan çok uzun bir lens ile), kırınım desenlerini de görmeniz mümkündür. Yıldızlı arka plana sahip yüz örneğinde, odağı sonsuza kadar değiştirip yüzünü odağın dışında bıraktığımızı varsayalım. Dalga optiği şimdi (sapmaların yokluğunda), bir yıldızın kırınım modelinin, dairesel bir açıklık kullandıysanız, bir halka (birinci dereceden saçak) ile çevrili bir merkezi (sıra 0) saçak olacağını, ancak dikdörtgen bir açıklık olacağını tahmin ederdi. farklı bir desen verecekti (daha çok dikdörtgen bir saçak ızgarası gibi). Uygulamada, bir kameranın hiç açık olmayan diyafram açıklığı ile kırınımla sınırlı olacağını sanmıyorum. Ray-optik sapmalar arttıkça diyafram genişledikçe difraksiyon azalır,

Lensler her zaman yuvarlatılmış olarak üretiliyordu çünkü üretim işlemine en iyi şekilde uyuyordu. Onları kare yapmak en azından çok kesin bir kesmeyi gerektirir, böylece bu onları daha pahalı hale getirir. (Ancak kare lensler bazı özel amaçlar için üretilmektedir)

Sensörün neden yuvarlak olduğundan çok kare olduğunu sorabilirsiniz.

Bunun cevabı ekranlarımız, filmlerimiz ve sonuçta fotoğraf kağıdımızın kare şeklinde olmasıdır. Kare fotoğraflara ihtiyacımız olursa yuvarlak sensöre ihtiyacımız yoktur!

Elbette mesele:

1. aynı “işlemi” herhangi bir yönde gelen ışığa uygulamak için, gelen görüntüdeki farklı noktalar arasındaki boşluk oranlarını bozmamak için dairesel olarak simetrik bir şekle ihtiyacınız vardır.

2. Lensler genellikle yüzeylerindeki hafif inişi tek bir noktaya yoğunlaştırmayı amaçlar. Bu nokta bir kameradaki CMOS sensörünün 'biraz gerisindedir', ancak aynı prensip ve fizik, yumuşak bir enine kesit şeklinin bunu başardığını söylüyor. Tüm yönlerde tekrarladığınızda, etrafında dönüp mercek gibi düz bir kubbe şekli elde edersiniz.

3. Çanak antenlerin kubbeli ve kutu şeklinde olmamalarına benzer bir neden

ama kesinlikle değil çünkü üretimi daha kolay. Yağmur damlaları ve cam topların mercek etkisi vardır. Windows yapmaz. Küpler ve kırılma malzemelerinin kutuları sadece bu etkiye sahip değildir.

Lensler yuvarlak olmak zorunda değildir. Gözlük çerçevelerinin göründüğü şekillerin çeşitliliğine bakın.

Bununla birlikte, tüm bu lensler, küresel yüzeyleri olan (bir an için astigmatizm için doğru olan lensleri görmezden gelen) bir stok lensinden kesilmiş bir kesittir.

Ve temelde cevap var. Herhangi bir asimetri kameranıza astigmatizma verir: aynı anda hem yatay hem de dikey olarak odaklanamayan bir nokta.

Bir lens, herhangi bir dönme ekseni boyunca tutarlı bir odaklanma sağlamalıdır. Bir cm aralıklı iki paralel ışık huzmesi, lense yatay olarak vurursa, dikey olarak bir cm aralıklı iki paralel ışınla aynı mesafede odaklanmalıdır.

Çok tuhaf bir Bokkeh yaratmanın yanı sıra, dikdörtgen bir mercek de merceğin vinyetini kötüleştirecek ve diğer negatif optik sapma etkilerinin yanı sıra görüntü alanı üzerinde asimetrik bir çözünürlük yaratacaktır. Sensör üzerinde belirli bir noktaya vuran ışık, geniş bir camdan geliyor - sensörün bir köşesine vuran ışık, objektif elemanlarının ilgili köşe alanından yalnızca sensöre doğru gitmedi ( Sürekli olarak kırınımın kendisinin esasen aşağılayıcı görüntü kalitesini düşürdüğü o kadar küçük bir açıklık seçmezseniz). Lens üreticileri, diyafram dahil olmak üzere, her şeyin amaç görüntü kalitesi için simetrik olmasını sağlamak için büyük uzunluklara gidiyor. Düşük kaliteli lensler, çok köşeli bir beşgen veya altıgen iris yapan düz kenarlı birkaç açıklık bıçağına sahip olabilir. Bu, görüntünün merkezinde bile bir merceğin MTF şeması (bir mercek çözme yeteneğinin bir ölçüsü) üzerinde ölçülebilir bir olumsuz etkiye sahip olabilir. Daha kaliteli objektiflere geçin ve çok daha simetrik olarak yuvarlak diyafram açıklığı bulacaksınız ... Canon ve Nikon'un çok yuvarlak diyaframlara sahip olduğu yüksek bin multi-bin dolarlık lenslerin üzerindeki diyaframlar - bu sadece diyaframın ... cama ve görüntüyü çok daha fazla düşürüyorsun. Sinematografide gerçekten yüksek son (5 basamaklı) lensler daireseldir. Lens elemanları Bu, tüm görüntü alanı boyunca merkezden köşeye görüntü kalitesi içindir. Sensörün kare, dikdörtgen, yuvarlak, hatta yıldız veya hilal şeklinde olmasına bakılmaksızın, lens - en azından gerçekten iyi bir tane - simetrik olmaya devam edecektir (aka dairesel). Evet,

Kuantum elektrodinamiğinin tam bir açıklamasına başlamadan açıklamak zordur , ancak sensöre ulaşan ışığın tamamı , en azından tek bir fotondan söz etsek bile, en azından bir anlamda, tüm merceklerden "geçer" . Bir foton sadece bir yol almaz (hangi yolu kullandığını anlamaya çalışmadığınız sürece), tüm olası yolları alır . Garip ama doğru.

Bu, camı yuvarlak bir mercekten daha küçük bir dikdörtgen yapmak için kullanmak, kullanılmayan "ekstra" camı çıkarmak değil, görüntüleme (ve ışık toplama) için kullanılan camı çıkarmak anlamına gelir. Aynı şekilde, lensi tamamen kozmetik nedenlerden dolayı dikdörtgen yapmak için ekstra cam eklemek, sadece fazladan fazla masraf gerektirmeyecek, "fazladan" camın artık görüntüleme olasılık dağılımına da katkıda bulunacağını, bu yüzden de tam olarak olması gerekecektir. Yaptığınız ve uzattığınız dairesel mercek gibi düzeltildi. Ben açıkladığımız gibi burada , daha büyük (hızlı) bir mercek, daha gereken düzeltmeyi yapmak, daha doğruluk gereklidir ve daha fiyat yükselecek.

Ancak bunun dışında, bokeh (odak dışı alanların doğası, özellikle de vurgulamalar) gerçekten çok kötü görünecektir.

Bu, görüntü cephesinin tüm bölümlerinin her piksel için ışın toplayacağı tartışmalı bir fikirle ilgilidir.

Dağınık yüzeyler her yöne ışın gönderir, lense yaylanan küçük yay içindeki sonsuz ışınlar. Bu sonsuzluk ışınları bir nokta kaynaktan tek bir piksele yönlendirilmelidir. Bunu yapmak zor, bu yüzden keskin lenslerin bulunması zor. Bu başka bir hikaye.

3 görüntüyü geniş açık bir şekilde çektim ve kullanılmayan kısımları kesilmiş bir kağıt dikdörtgenle kapladım ve 3 tane daha çektim ve kullanılmayan kısmı kapladığımda orta kısmın% 15 daha koyu olduğunu gördüm. Üstteki görüntü ele geçen ve altındaki görüntü örtülü olandır ve kaplamanın çerçevede görülmediğini gördüğünüzde görüntüyü% 15 daha koyu yapar:

En basit geometrik optiğin modelinde açıklanabilir. Nesne üzerinde, her yöne farklı parlaklıkta birkaç ışık ışınları olarak gösterilebilecek dağınık yansıma meydana gelir . Daha büyük bir lens çapı (daha küçük bir doğrultma şekli yerine) daha parlak bir görüntüye neden olabilir.

S: "Görüntü sensörü olmasa da neden mercekler yuvarlak şeklinde? Neden kare veya görüntü sensörü şekline uyan bir şey olamaz?".

C: Lensler ve diğer yuvarlak nesneler yuvarlak çünkü bunları döndürmek daha kolay (evet, Mythbusters'ın "Kare Tekerlek Videosu" ndan haberdarım). Yuvarlak bir Objektif, kare bir Objektife (Anamorfik gibi) göre tam olarak taşlamak daha kolaydır. Endişelenecek (yaratma veya hizalama) veya daha küçük boyutta bir Objektif durumunda daha büyük bir Görüntü Dairesi vardır.

Ucuz bir Lens, Enjeksiyon Kalıplama ile üretilen ve ucuz bir Lens olmak için yeterli hassasiyette kitle üretilebilir, böylece Lensler uzun süredir kolayca herhangi bir şekilde olabilir.

Pahalı Cam sadece bu, pahalı. Görünür spektrumun dışındaki ışığı yakalamak için kullanılan bazı Kameralar, camdan değil, egzotik malzemelerden yapılmış ve çalışmak zordur. Kalite kaybı olmadan daha az iş, para tasarrufu sağlar.

Sensörlerin çoğu (bugün) dikdörtgendir (16: 9) çünkü insan vizyonu yan yana çalışır (ufku tarar) ve yukarı ve aşağı değil (yukarı doğru görmek için çok az şey vardı ve altında hiç bu kadar uzakta olmadı) beynimiz bu şekilde gelişti) - 16: 9 beden Standart olarak seçildi çünkü tercih edilen bir 'geniş ekran formatı' verdi (16: 9'dan daha geniş ve genellikle Anamorfik Lenslerin kullanıldığını biliyorum).

Yuvarlak Lenslerin kolaylığı ve maliyeti ile birlikte Kare Sensörümüz de var. Sensörler düz kenarlara sahiptir ve yuvarlak değildir, çünkü onları düz kesmek daha kolaydır (ve Sensörler Lensler gibi cilalanmaz).

Sensörler karedir, çünkü yapıldıkları yuvarlak Gofretten en iyi şekilde yararlanır. Gofretler yuvarlaktır çünkü bir Külçeden kesilmişlerdir. İngotlar tübülerdir çünkü bu şekilde büyürler.

Bu yüzden her şeyin maliyetini en düşük seviyeye çıkarmak için Lensler yuvarlak ve Sensörler karedir (Space'de kullanılan tek büyük Sensörler gibi, ölü piksel haritalanmış olan Gofret başına bir Sensör; tıpkı LCD Ekranların ilk günleri gibi).

AMA güzel süper yüksek çözünürlüklü, büyük pikselli, Sensör'ü küçük parçalara ayırmak istediğinizi varsayarak dikdörtgen Sensörleri (16: 9) kesmek zor değildir (çünkü insanlar bir Sensör için 100.000 $ 'dan fazla ödeme yapmak istemezler) Hükümet olmadıkça).

Bu yüzden çoğu Sensörü 16: 9 şeklinde daha az sayıda keserek 4: 3'e düşürürler (çünkü bu Kameralar pahalı Lenslere sahiptir) ve 16: 9 formatı insanlar küçük bir vinyet (biraz zaman) ile yaşar ve estetik açıdan hoş biçimli görüntüler elde etmek için nispeten düşük maliyetli Camın bir kısmı (sadece bir kare veya inek, görünür spektrumun dışında çalışan bir Sensör ister veya bir kare görüntü veya Veri noktalarının matrisini üretir).

16: 9 formatı, modern fotoğrafçılığın geliştiği, diğer formatların gelip gittiği ya da hiç popüler olmadığı, 359 filmin 3: 2 en boy oranının genişletilmesidir. en büyük biçimlerden).

Temelde: Lineage, Maliyet, Kalite. Bazen sağduyu da bir rol oynadı.

Ayrıca bakınız: https://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format#Sensor_format_and_lens_size